Полупроводнико́вая электро́ника (твердотельная электроника), направление электроники, охватывающее вопросы исследования взаимодействия электронов с электромагнитными полями в полупроводниках и методы создания электронных приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется в целях преобразования электромагнитной энергии (например, для обработки и передачи электрических сигналов). Высокие темпы развития электроники во 2-й половине 20 в. и её проникновение в автоматику, связь, вычислительную технику, астрономию, медицину, быт и др. в значительной степени обусловлены успехами полупроводниковой электроники, позволившей создавать малогабаритные, высоконадёжные полупроводниковые приборы и устройства с малым потреблением энергии.

Историческая справка

Первым полупроводниковым (ПП) материалом, нашедшим применение в электронике, был селен. Открытый в 1873 г. американским физиком У. Смитом эффект изменения сопротивления селенового столбика под действием света привёл к созданию первых ПП приборов – фоторезисторов. В 1874 г. К. Ф. Брауном была открыта односторонняя проводимость контакта металл – полупроводник, что привело к использованию полупроводников в кристаллических детекторах для демодуляции радиотелефонных и радиотелеграфных сигналов (1900–1905). В 1920–1926 гг. селеновые и меднозакисные (Cu₂O) элементы стали применяться для преобразования переменного тока в постоянный. В 1922 г. О. В. Лосев использовал кристаллический детектор из цинкита (ZnO) для генерирования и усиления радиочастотных колебаний и создал на его базе радиоприёмник – кристадин, имевший значительно более высокую чувствительность по сравнению с обычным детекторным приёмником.

Долгое время попытки создать устойчиво работающий усилительный прибор, использующий электронные процессы в твёрдом теле, не имели успеха. Бурное развитие полупроводниковой электроники началось с изобретения в США сначала точечного (У. Браттейн, Дж. Бардин, 1947), а затем и плоскостного (У. Шокли, 1948) транзистора. Дальнейшие успехи в области полупроводниковой электроники связаны с созданием планарной технологии (1959), появлением и развитием интегральной электроники и переходом на её основе к микроминиатюризации электронной аппаратуры. 

На базе планарной технологии в 1960-е – начале 1970-х гг. были созданы биполярные СВЧ-транзисторы, полевые МДП-транзисторы (на основе структуры металл – диэлектрик – полупроводник), приборы с зарядовой связью, различные типы интегральных схем (ИС). В это же время появились лавинно-пролётные диоды, диоды Ганна, диоды и транзисторы с барьером Шоттки, оптоэлектронные устройства. Этот период характеризуется бурным ростом полупроводниковой промышленности и, соответственно, значительным увеличением объёма производства изделий полупроводниковой электроники. В конце 1980-х гг. объём выпуска дискретных ПП приборов и ИС во всём мире исчислялся десятками миллиардов приборов в год; при этом только дискретных транзисторов выпускалось около 30 млрд. Количество же транзисторов в составе ИС более чем на 3 порядка превышало эту цифру. 

Физические основы

Развитие полупроводниковой электроники стало возможным благодаря фундаментальным достижениям в области квантовой теории твёрдого тела и физики полупроводников.

В основе работы ПП электронных приборов и устройств лежат следующие важнейшие свойства полупроводников и электронные процессы в них:

• одновременное существование двух типов подвижных носителей заряда (отрицательных – электронов проводимости и положительных – дырок), обусловливающих 2 типа электропроводности – электронную и дырочную;

• сильная зависимость величины и типа электропроводности от концентрации и типа атомов примеси;

• высокая чувствительность свойств полупроводников к воздействию света, тепла, электрических и магнитных полей, механических напряжений (см., например, Термоэлектрические явления, Эффект Холла);

• возникновение на границе областей полупроводников с различными типами электропроводности или в контакте металл – полупроводник соответственно электронно-дырочного перехода (p–n-переход) или барьера Шоттки, обладающих практически односторонней проводимостью;

• способность p–n-переходов к инжекции носителей заряда из области, где они являются основными, в область, в которой они неосновные, при включении напряжения в направлении пропускания тока через переход;

• туннельный переход носителей сквозь потенциальный барьер, лавинное умножение носителей заряда в сильных электрических полях, переход носителей из одной долины энергетической зоны в другую с изменением их эффективных масс и подвижности, лежащий в основе эффекта Ганна, и др.

Решающее значение для полупроводниковой электроники имеет транзисторный эффект (эффект управления током запертого перехода с помощью тока отпертого перехода), а также эффект модуляции полем проводимости тонкого слоя полупроводника (канала). Именно на основе этих эффектов работают биполярные и полевые транзисторы, которые определили коренные изменения в радиоэлектронной и другой аппаратуре и обеспечили широкое применение систем автоматического управления в технике. 

Полупроводниковая технология и особенности производства

Главные технологические задачи полупроводниковой электроники – получение ПП материалов (в основном монокристаллических) с требуемыми свойствами и разработка методов изготовления ПП приборов, в которых ПП слои сочетаются с диэлектрическими и металлическими. В основе технологии ПП приборов лежат такие способы получения сложных ПП структур (прежде всего p–n-переходов), как вплавление, диффузия примесей, ионное легирование, эпитаксия, нанесение металлический и диэлектрических плёнок, фотолитография и травление.

Важную роль в развитии полупроводниковой электроники сыграло появление и быстрое распространение планарной технологии, позволившей развить групповые методы обработки в производстве полупроводников. На смену сборке электронной аппаратуры из отдельных элементов пришли методы изготовления на одном кристалле полупроводника и в одном технологическом цикле законченного электронного устройства – ПП интегральной схемы. Кроме того, существенно повысилась точность и воспроизводимость электрических параметров. 

Резко расширился набор используемых ПП материалов. В 1960-х гг. германий был практически полностью вытеснен из сферы производства кремнием. Были созданы новые двух-, трёх- и четырёхкомпонентные твёрдые растворы различных элементов, обладающие ПП свойствами. Это соединения типа А^IIIВ^V, A^IIB^VI, A^IVB^lV и др. Особое значение эти материалы получили в связи с развитием твердотельной СВЧ-электроники, твердотельной оптоэлектроники и вычислительной техники. Наиболее широкое применение из этих соединений находит арсенид галлия. Наряду с p–n-переходами, образованными в объёме одного ПП материала (т. н. гомопереходы), большое значение приобрели гетеропереходы.

В результате развития метода молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) приборных гетеропереходных ПП структур разработаны технологии МПЭ с газовыми источниками, МПЭ из металлоорганических соединений, атомно-слоевая эпитаксия, МПЭ с усиленной миграцией и др. На их базе созданы сверхскоростные полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов и гетеропереходные биполярные транзисторы. Новые технологические приёмы обусловили качественный скачок, открывший возможность дальнейшего уменьшения габаритных размеров и повышения надёжности электронного оборудования. 

Высокие уровни интеграции выдвигают исключительно жёсткие требования к точности работы оборудования, используемого в производстве полупроводников. Переход в промышленном производстве от размеров элементов ИС 2–3 мкм к размерам 1 мкм и менее не обеспечивается уже разрешающей способностью и точностью работы оптико-механического оборудования для процессов фотолитографии и требует перехода к рентгено- и электронолитографии. Существенно возрастают при этом требования к точности обработки ПП пластин (плоскостность, минимальное корабление при термических процессах, плоскопараллельность сторон и т. п.). Так, механическая обработка ПП пластин диаметром до 120 мм должна осуществляться с отклонениями от плоскостности, не превышающими 1 мкм.

Исключительно важное значение приобретают и условия производства: отсутствие пыли в помещении (цехе) и на рабочих местах, поддержание т. н. комфортной влажности, глубокая очистка технологических газов (азота, водорода, кислорода) и химических реактивов.